Processo de conversão de energia em máquinas elétricas

As máquinas elétricas são divididas por finalidade em dois tipos principais: geradores elétricos e motores elétricos... Os geradores são projetados para gerar energia elétrica e os motores elétricos são projetados para acionar pares de rodas de locomotivas, girar eixos de ventiladores, compressores, etc.

Um processo de conversão de energia ocorre em máquinas elétricas. Geradores convertem energia mecânica em energia elétrica. Isso significa que, para que o gerador funcione, é necessário girar seu eixo com algum tipo de motor. Em uma locomotiva a diesel, por exemplo, um gerador é acionado em rotação por um motor a diesel, em uma usina termelétrica por uma turbina a vapor, de uma usina hidrelétrica - uma turbina de água.

Os motores elétricos, por outro lado, convertem energia elétrica em energia mecânica. Portanto, para que o motor funcione, ele deve estar conectado por fios a uma fonte de energia elétrica ou, como dizem, conectado à rede elétrica.

O princípio de operação de qualquer máquina elétrica é baseado no uso dos fenômenos da indução eletromagnética e no aparecimento de forças eletromagnéticas durante a interação dos fios com uma corrente e um campo magnético. Esses fenômenos é realizada durante a operação do gerador e do motor elétrico. Portanto, eles costumam falar sobre os modos de operação do gerador e do motor das máquinas elétricas.

Nas máquinas elétricas rotativas, duas partes principais estão envolvidas no processo de conversão de energia: a armadura e o indutor com seus próprios enrolamentos que se movem um em relação ao outro. O indutor cria um campo magnético no carro. No enrolamento da armadura induzida por e. com… e ocorre uma corrente elétrica. Quando a corrente interage no enrolamento da armadura com um campo magnético, são criadas forças eletromagnéticas, por meio das quais é realizado o processo de conversão de energia na máquina.

Para a realização de um processo de conversão de energia em uma máquina elétrica

As seguintes disposições derivam dos teoremas fundamentais da energia elétrica de Poincaré e Barhausen:

1) a transformação recíproca direta de energia mecânica e elétrica só é possível se a energia elétrica for a energia da corrente elétrica alternada;

2) para a execução do processo dessa conversão de energia, é necessário que o sistema de circuitos elétricos destinados a esse fim tenha uma indutância elétrica variável ou uma capacidade elétrica variável,

3) para converter a energia de uma corrente elétrica alternada em energia de uma corrente elétrica contínua, é necessário que o sistema de circuitos elétricos projetados para esse fim tenha uma resistência elétrica variável.

Da primeira posição segue-se que a energia mecânica pode ser convertida em uma máquina elétrica apenas em energia de corrente elétrica alternada ou vice-versa.

A aparente contradição desta afirmação com o fato da existência de máquinas elétricas de corrente contínua é resolvida pelo fato de que em uma «máquina de corrente contínua» temos uma conversão de energia em dois estágios.

Assim, no caso de uma máquina geradora elétrica de corrente contínua, temos uma máquina na qual a energia mecânica é convertida em energia de corrente alternada e esta, devido à presença de um dispositivo especial que representa "resistência elétrica variável", é convertida em energia de corrente contínua.

No caso de uma máquina elétrica, o processo obviamente ocorre na direção oposta: a energia da corrente elétrica contínua fornecida a uma máquina elétrica é convertida por meio da referida resistência variável em energia de corrente elétrica alternada e esta última em energia mecânica.

O papel da referida resistência elétrica variável é desempenhado pelo "contato elétrico deslizante", que em uma "máquina coletora DC" convencional consiste em uma "escova elétrica para máquinas" e um "coletor elétrico para máquinas" e em anéis coletores ".

Como, para criar um processo de conversão de energia em uma máquina elétrica, é necessário ter "indutância elétrica variável" ou "capacitância elétrica variável", uma máquina elétrica pode ser feita com base no princípio da indução eletromagnética ou no princípio da indução elétrica. No primeiro caso, obtemos uma "máquina indutiva", no segundo - uma "máquina capacitiva".

Máquinas de capacitância ainda não têm importância prática.Usadas na indústria, nos transportes e na vida cotidiana, as máquinas elétricas são máquinas indutivas, atrás das quais, na prática, se enraizou o nome abreviado "máquina elétrica", que é essencialmente um conceito mais amplo.

O princípio de funcionamento de um gerador elétrico.

O gerador elétrico mais simples é um loop girando em um campo magnético (Fig. 1, a). Neste gerador, a volta 1 é o enrolamento da armadura. O indutor é ímãs permanentes 2, entre os quais a armadura 3 gira.

Arroz. 1. Diagramas esquemáticos do gerador mais simples (a) e motor elétrico (b)

Quando a bobina gira com uma certa frequência de rotação n, seus lados (condutores) cruzam as linhas de campo magnético do fluxo Ф e e é induzido em cada condutor. etc. s. d. Com o adotado na fig. 1 e o sentido de rotação da armadura e. etc. c. no condutor localizado sob o pólo sul, de acordo com a regra da mão direita, está direcionado para longe de nós, e e. etc. v. em um fio localizado sob o Pólo Norte - em nossa direção.

Se você conectar um receptor de energia elétrica 4 ao enrolamento da armadura, uma corrente elétrica I fluirá através do circuito fechado.Nos fios do enrolamento da armadura, a corrente I será direcionada da mesma forma que e. etc. SD.

Vamos entender porque, para girar a armadura em um campo magnético, é necessário gastar energia mecânica obtida de um motor a diesel ou de uma turbina (motor principal). Quando a corrente i flui através de fios localizados em um campo magnético, uma força eletromagnética F atua em cada fio.

Com o indicado na fig. 1, e a direção da corrente de acordo com a regra da mão esquerda, a força F direcionada para a esquerda atuará no condutor localizado sob o Pólo Sul, e a força F direcionada para a direita atuará no condutor localizado sob o Pólo Sul Polo Norte.Essas forças juntas criam um momento eletromagnético M. no sentido horário.

A partir de um exame da FIG. 1, mas pode-se observar que o momento eletromagnético M, que ocorre quando o gerador emite energia elétrica, é direcionado no sentido contrário ao de rotação dos fios, portanto é um momento de frenagem que tende a desacelerar a rotação dos fios armadura do gerador.

Para evitar que a âncora estole, é necessário aplicar um torque externo Mvn ao eixo da armadura, oposto e igual em magnitude ao momento M. Levando em consideração o atrito e outras perdas internas da máquina, o torque externo deve ser maior que o momento eletromagnético M criado pela corrente de carga do gerador.

Portanto, para continuar a operação normal do gerador, é necessário fornecer energia mecânica externa - girar sua armadura a cada motor 5.

Em vazio (com o circuito externo do gerador aberto), o gerador está em marcha lenta, neste caso, apenas a quantidade de energia mecânica do diesel ou da turbina é necessária para vencer o atrito e compensar outras perdas internas de energia no gerador.

Com o aumento da carga do gerador, ou seja, a potência elétrica REL fornecida por ele, a corrente I que passa pelos fios do enrolamento da armadura e o torque de frenagem M. turbinas para continuar o funcionamento normal.

Assim, quanto mais energia elétrica é consumida, por exemplo, pelos motores elétricos de uma locomotiva a diesel de um gerador de locomotiva a diesel, mais energia mecânica é retirada do motor a diesel girando-o e mais combustível deve ser fornecido ao motor a diesel .

Das condições de operação do gerador elétrico, consideradas acima, segue-se que é característico dele:

1. correspondência na direção da corrente i e e. etc. v. nos fios do enrolamento da armadura. Isso indica que a máquina está liberando energia elétrica;

2. o aparecimento de um momento de frenagem eletromagnético M direcionado contra a rotação da armadura. Isso implica na necessidade de uma máquina receber energia mecânica de fora.

O princípio do motor elétrico.

Em princípio, o motor elétrico é projetado da mesma forma que o gerador. O motor elétrico mais simples é uma volta 1 (Fig. 1, b), localizada na armadura 3, que gira no campo magnético dos pólos 2. Os condutores da volta formam um enrolamento da armadura.

Se você conectar a bobina a uma fonte de energia elétrica, por exemplo, a uma rede elétrica 6, então uma corrente elétrica I começará a fluir por cada um de seus fios. Essa corrente, interagindo com o campo magnético dos pólos, cria eletromagnética força F.

Com o indicado na fig. 1b, a direção da corrente no condutor localizado sob o polo sul será afetada pela força F direcionada para a direita, e a força F direcionada para a esquerda atuará no condutor localizado sob o polo norte. Como resultado da ação combinada dessas forças, é criado um torque eletromagnético M direcionado no sentido anti-horário, que aciona a armadura com o fio para girar com uma certa frequência n... Se você conectar o eixo da armadura a qualquer mecanismo ou dispositivo 7 ( eixo central de uma locomotiva a diesel ou locomotiva elétrica, ferramenta de corte de metal, etc.), então o motor elétrico colocará este dispositivo em rotação, ou seja, fornecerá energia mecânica a ele.Neste caso, o momento externo MVN criado por este dispositivo será direcionado contra o momento eletromagnético M.

Vamos entender porque a energia elétrica é consumida quando a armadura de um motor elétrico operando sob carga gira. Verificou-se que quando os fios da armadura giram em um campo magnético, e é induzido em cada fio. etc. com, cuja direção é determinada de acordo com a regra da mão direita. Portanto, com o indicado na fig. 1, b sentido de rotação de e. etc. c. e induzido no condutor localizado sob o pólo sul será direcionado para longe de nós, e e. etc. s. e induzido no condutor localizado sob o pólo norte será direcionado para nós. Figo. 1, b vê-se que e., etc. c. Ou seja, os induzidos em cada condutor são direcionados contra a corrente i, ou seja, impedem sua passagem pelos condutores.

Para que a corrente continue circulando pelos fios da armadura no mesmo sentido, ou seja, para que o motor elétrico continue funcionando normalmente e desenvolva o torque necessário, é necessário aplicar uma tensão externa U nesses fios direcionados para e. etc. C. e maior que o e geral. etc. c. E induzido em todos os fios conectados em série do enrolamento da armadura. Portanto, é necessário fornecer energia elétrica ao motor elétrico da rede.

Na ausência de carga (torque de frenagem externo aplicado ao eixo do motor), o motor elétrico consome uma pequena quantidade de energia elétrica de uma fonte externa (rede) e uma pequena corrente flui através dele em marcha lenta. Esta energia é utilizada para cobrir as perdas internas de potência na máquina.

À medida que a carga aumenta, também aumenta a corrente consumida pelo motor elétrico e o torque eletromagnético que ele desenvolve. Portanto, um aumento na energia mecânica liberada pelo motor elétrico à medida que a carga aumenta automaticamente leva a um aumento na eletricidade que ele extrai da fonte.

Das condições de operação do motor elétrico discutidas acima, segue-se que é característico dele:

1. coincidência na direção do momento eletromagnético M e velocidade n. Isso caracteriza o retorno da energia mecânica da máquina;

2. a aparência nos fios do enrolamento da armadura e. etc. dirigido contra a corrente i e a tensão externa U. Isto implica a necessidade de a máquina receber energia elétrica do exterior.

O princípio da reversibilidade das máquinas elétricas

Considerando o princípio de funcionamento de um gerador e de um motor elétrico, verificamos que eles estão dispostos da mesma forma e que há muito em comum na base de funcionamento dessas máquinas.

O processo de conversão de energia mecânica em energia elétrica no gerador e energia elétrica em energia mecânica no motor está relacionado à indução de EMF. etc. pp. nos fios do enrolamento da armadura girando em um campo magnético e o surgimento de forças eletromagnéticas como resultado da interação do campo magnético e dos fios condutores de corrente.

A diferença entre um gerador e um motor elétrico está apenas na direção mútua de e. d. com corrente, torque eletromagnético e velocidade.

Resumindo os processos de operação do gerador e do motor elétrico considerados, é possível estabelecer um princípio de reversibilidade das máquinas elétricas... De acordo com esse princípio, qualquer máquina elétrica pode funcionar como gerador e motor elétrico e passar do modo gerador para o modo motor e vice versa.

Arroz. 2. Direção de e., etc. com E, corrente I, frequência de rotação da armadura n e momento eletromagnético M durante a operação de uma máquina elétrica de corrente contínua nos modos motor (a) e gerador (b)

Para esclarecer esta situação, considere o trabalho Máquina elétrica de corrente contínua sob diferentes condições. Se a tensão externa U for maior que o total e. etc. v. D. em todos os fios conectados em série do enrolamento da armadura, a corrente I fluirá na indicada na fig. 2, e a direção e a máquina funcionarão como um motor elétrico, consumindo energia elétrica da rede e fornecendo energia mecânica.

No entanto, se por algum motivo e. etc. c. E se torna maior que a tensão externa U, então a corrente I no enrolamento da armadura mudará sua direção (Fig. 2, b) e coincidirá com e. etc. v. D. Nesse caso, também mudará a direção do momento eletromagnético M, que será direcionado contra a frequência de rotação n... Coincidência na direção d., etc. com E e corrente I significa que a máquina começou a fornecer energia elétrica à rede, e o aparecimento de um momento eletromagnético de frenagem M indica que deve consumir energia mecânica de fora.

Portanto, quando e. etc. comE induzido nos fios do enrolamento da armadura torna-se maior que a tensão da rede U, a máquina passa do modo de operação motorizada para o modo gerador, ou seja, quando E < U a máquina funciona como motor, com E> U — como um gerador.

A transferência de uma máquina elétrica do modo motor para o modo gerador pode ser feita de diferentes maneiras: reduzindo a tensão U da fonte à qual o enrolamento da armadura está conectado ou aumentando e. etc. com E no enrolamento da armadura.